例题

将军饮马问题

将军从 A 点出发,先到河边 P 点饮马,再到 B 点军营;拖动 P、A、B,观察什么时候 AP + PB 最短。

问题引入

将军从 A 点出发,先到河边 P 点饮马,再到 B 点军营。怎样选择饮马点 P,才能使 AP + PB 最短?

动态观察

拖动河上的点 P,比较不同饮马点的路径长度;拖动 A 或 B,观察最短点如何变化。 绿色点 P₀ 是理论上的最短位置。

将军饮马问题
  1. 拖动河上的点 P,比较不同饮马点的路径长度。
  2. 拖动 A 或 B,观察最短点如何变化。
  3. 绿色点 P₀ 是理论上的最短位置。

规律发现

移动 P 点时,留意虚线三角形 A′PB:只要 P 不在直线 A′B 上,两边之和就大于第三边, 也就是 AP + PB 始终大于 A′B。只有当 P 落到 P₀ 处,AP + PB 才正好等于 A′B。 右侧「当前差值」一行实时显示 AP + PB 与 A′B 的差距,把 P 拖到 P₀ 时它会变成 0。

把 A 关于河岸 l 作对称点 A′ 之后,为什么可以把 AP + PB 改写成 A′P + PB?

  • AAP = A′P
  • BAP = PB
  • CA′P = PB
查看答案

因为 A 与 A′ 关于河岸 l 对称,而 P 就在对称轴 l 上,所以 AP = A′P。 于是 AP + PB = A′P + PB,折线路径被「搬」成了从 A′ 到 B 的路径。

原理解释

把 A 关于河岸作对称点 A′,因为 P 在河岸上,所以 AP = A′P。

AP + PB = A′P + PB ≥ A′B

当 A′、P、B 三点共线时,A′P + PB 正好等于 A′B,此时 AP + PB 最短。

例题应用

这是折线路径最短的经典模型:从 A 到直线 l 上一点 P,再到 B,要求 AP + PB 最小。 核心是用轴对称把折线变直线。

  1. 把 A 关于直线 l 对称到 A′。
  2. 因为 P 在 l 上,所以 AP = A′P。
  3. 原式 AP + PB 转化为 A′P + PB。
  4. 当 A′、P、B 三点共线时,折线等于直线 A′B,此时最短。

互动练习

理论上的最短饮马点 P₀ 在哪里?

  • AA′B 与河岸 l 的交点
  • BA 与 B 连线的中点
  • C河岸 l 的中点
查看答案

当 A′、P、B 三点共线时,A′P + PB 正好等于 A′B,此时 AP + PB 最短, 所以 P₀ 就是直线 A′B 与河岸 l 的交点。

把 P 拖到理论最短点 P₀ 处,「当前差值」一行显示多少?

查看答案

P 在 P₀ 处时 A′、P、B 三点共线,AP + PB = A′B,两者之差为 0。

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